郭屯煤矿工作面正断层下盘防水煤柱留设研究

张 凯

（山东能源鲁西矿业公司郭屯煤矿，山东 菏泽 274700）

郭屯煤矿突水严重影响矿井的安全生产，大多数矿井突水都是受到工作面推进过程中断层活化的影响，断层裂隙发育不断扩展，渗透性逐渐增强，当断层裂隙和顶板破坏带导通时，最终导致矿井突水[1-3]。目前，郭屯煤矿3301 工作面受向阳断层影响工作面一分二，为了避免断层突水对工作面安全造成影响，将采用FlAC3D数值模拟软件对3301 工作面向阳断层保护煤柱宽度合理性进行分析，同时，为今后矿井安全生产及矿井突水的治理提供技术支持。

1 工程背景

矿井为生产矿井，主采3 号煤层，采用放顶煤开采工艺。3301 工作面位于工业广场西北约2960 m，水郭线从工作面上部穿过，西侧为3303 工作面。整个工作面煤层倾角平均5°。向阳断层（∠60°～75°，H=0～80 m）从工作面中部穿过，煤层赋存较为稳定，平均厚度约4.5 m，顶板以粉、细砂岩为主，底板以泥岩、粉砂岩为主岩，局部有伪顶厚约0.5 m。工作面布置如图1。

图1 3301 工作面布置示意图

2 理论计算

在《煤矿防治水规定》断层安全隔水煤（岩）柱宽度计算公式中，有10 m 的保护带厚度，考虑到向阳断层带易于导水的张性特征和回采集中应力对煤体的破坏作用，在回采煤壁由于支承应力作用形成包括破碎区在内的非弹性区。因此，考虑到安全性给予15 m 的保护带厚度，防隔水煤柱留设宽度计算公式：

式中：L为煤柱留设的宽度，m；K为安全系数，取2；M为煤层厚度或采高，取4.5 m；P为水头压力，取2.07 MPa；KP为煤的抗拉强度，取0.53 MPa。

经计算所得，防隔水断层煤柱宽度为30.4 m。

3 FlAC3D 数值模型

3.1 模型建立

根据3301 工作面SX1 实际钻孔资料，采用FlAC3D模拟软件，对工作面断层不同保护煤柱宽度开采时应力演化规律以及塑性破坏规律进行研究。断层地质构造复杂，为高度还原现场情况，对模型进行适当调整优化。为消除模型边界效应的影响，模型倾向和走向方向各留设50 m 的保护煤柱。边界条件设置：模型的底部边界和左右边界采用Fix命令固定，顶部为自由边界，通过施加均布载荷模拟煤层上覆岩层自重载荷（15.5 MPa），利用Interface 命令建立接触面表示断层软弱面。建立的模型长500 m、宽800 m、高142 m，模型共有384 000 单元，412 126 节点。模型如图2。

图2 不同宽度保护煤柱几何模型示意图（m）

3.2 岩石力学参数

现场井下取样运至实验室测试，初步确定煤岩石力学属性，井下岩石应力—应变关系常表现不规则特征，因此对实验室中所得岩石力学参数进行了适当调整。模拟计算所采用的岩体力学参数见表1。

表1 岩体物理力学参数

3.3 模拟方案

以模型向阳断层下盘左端位置处留设不同煤柱为开挖起始点，从右往左依次开采。为了便于研究不同保护煤柱宽度支持压力演化规律及塑性破坏规律[4-6]，通过History 命令设置应力检测线并记录工作面开采后应力变化特征。

4 应力演化规律

根据上述所建立的断层构造模型，分别模拟分析了3301 工作面距向阳正断层下盘20 m、30 m、35 m 和40 m 等不同位置时超前支承应力分布及其演化规律。超前支承应力云图及应力变化特征曲线如图3、图4。

由图3、图4 可知，几乎所有的断层都是由松散的碎岩、泥岩等充填物组成的断裂带，断裂带对承载应力的传递具有一定的阻隔作用。工作面在断层附近作业时，支承应力峰值不断增大，应力峰值位于煤壁前方约5 m 位置处，且随着工作面距断层越近，对盘应力随之增加，因此，在图3 中表现出一大一小“双峰”状应力曲线。研究结果与现场实测结果一致，间接证明了本次数值模拟的合理性。

图3 留设不同宽度煤柱时断层附近支承应力云图

图4 留设不同宽度煤柱时断层附近支承应力曲线图

在沿断层下盘工作面开采过程中，断层下盘不易形成稳定的铰接结构。当断层煤柱较小时，应力突然增大，风险大于正断层上盘开采[7]。当工作面断层保护煤柱宽度40 m 时，应力峰值为34.72 MPa，应力集中系数1.98。应力集中主要在断层煤柱上，下盘采动对上盘应力分布影响不大。当工作面断层保护煤柱宽度减小至90 m、80 m 及60 m 时，超前支承应力峰值不断增加，支承应力影响范围明显增大，且断层上盘的应力也随着增加，应力峰值分别为38.61 MPa、41.03 MPa 和49.63 MPa，应力集中系数分别为2.21、2.34 和2.84。此时，工作面与断层之间的煤柱内形成较高的应力集中。当继续减小断层保护煤柱宽度时，断层下盘上覆岩层将会发生旋转失稳现象，作用在断层剩余煤柱中的集中应力将会超过其自身极限破坏强度，剩余煤体将发生破坏，不再具有承载载荷效应且极易诱发冲击地压。

5 塑性破坏区变化特征

3301 工作面距向阳正断层下盘20 m、30 m、35 m 和40 m 时塑性区破坏演化规律如图5。

图5 留设不同宽度煤柱时断层附近塑性区破坏云图（m）

如图5 所示，当断层保护煤柱宽度为40 m 时，断层高位岩层附近微小部分发生塑性破坏。随着断层煤柱宽度的减小，明显可以看出，高位断层更容易受采动影响，断层附近岩层塑性变形破坏更为剧烈。同时，工作面破坏发育高度也随着保护煤柱宽度的减小逐渐增加。当工作面进一步向断层推进时，支承应力和塑性区破坏范围不断增加，当达到断层煤柱极限强度时，会释放大量弹性能，煤柱将不再具有承载能力，容易诱发一系列灾害事故。

经过数值模拟验算发现，向阳断层保护煤柱宽度留设30 m 时应停止继续向前开采，将剩余煤体留设为断层隔水保护煤柱，同时还应加强因断层活化对巷道、硐室的影响，预防矿压灾害及顶板水害事故发生。

6 结语

以理论计算和数值计算手段相结合形式，对3301 工作面不同煤柱宽度条件下采动应力场分布、围岩裂隙演化规律特征进行了研究，主要结论如下：

（1）由于断层阻隔性，工作面在断层附近开采时会在煤柱的顶板形成较高的应力集中区域，其中高位断层受采动影响最为明显。

（2）防隔水煤柱破坏多为剪切破坏，通过理论计算与数值模拟结果，确定郭屯煤矿3301 工作面防隔水煤柱宽度为30 m，经现场3301 工作面回采验证效果较好，间接证明了本次设计的可靠性。